認識直流電機的PWM驅動控制電路

2021-12-29 英國比克科技 Pico Technology

內容綱要

 

1. 介紹

2. 開關理論

3. 搭建指南

4. PWM電路設計

5. +12V電源供電

6. 基於功率PROFET的PWM 電機驅動

7. 基於功率MOSFET的PWM電機驅動

8. MOSFET驅動範例1

9. MOSFET驅動範例2

10. 一些示波器觀測到的信號

11. 電路圖實物照片

 

介紹

PWM 脈寬調製是一種調節直流電機速度的好辦法，本文描述了兩種驅動電路，採用24V供電（可接受輸入範圍15V-30V），最大電流80A。這些驅動器可以用來調節小型電動車的行駛速度。第一個驅動器用了一個PROFET功率管，以500Hz的開關頻率工作。第二個則用的是MOSFET功率管，以20KHz的頻率工作。我們都知道，開關頻率高的更加理想。

 

開關理論

理想的開關頻率應該比電機的轉速高得多，讓電機產生一種真正是被直流驅電動的錯覺。定量的說，開關頻率至少要是電機轉速的5倍以上。舉個例子，如果電機轉速6000rpm(100 rps)，開關頻率就得是100Hz * 5 = 500Hz以上。另外還有一種計算方法是開關頻率遠高於電機的時間常數的倒數，即1/Ta，其中Ta=L/R 是電機時間常數。L和R，很顯然，代表的是電機的內部阻抗。 典型的直流電機，如200W功率，24V供電的，L =1mH，R=0.5歐. 這樣算下來，1/Ta = R/L = 0.5/0.001 = 500Hz, 這樣一來的話，開關頻率就要達到KHz量級。前文所述的20KHz正是一種常用的頻率。這同時也避開了電機在音頻範圍內的振動和噪聲幹擾。

 

搭建指南

下圖中的電路不難在麵包板上搭出來，最好把功率器件（PROFET或MOSFET）單獨放在一塊板上，並配上散熱器。看看後面的實物電路照片，功率器件必須要和供電電源或者蓄電池以及電機用很粗的線纜連接。本文用的是1.5mm(1.77平方毫米)的鍍錫銅線連接功率器件和線纜接插件。這對於平均電流20A以下的電機來說足夠了。接插件再引出導線的截面積則要達到2平方毫米以上。對於更高電流的電機，很顯然要用更加組厚的線纜。在這裡要特別注意不能有任何形式的短路，特別是和大容量蓄電池相連的時候。必須要用帶限流的供電電源，並且先用一個小號的電機，上電測試電路能否正常工作。

 

PWM電路設計

通過上圖左下角那個47K的可變電阻，PWM信號的佔空比從0%-100%可調，而右上角的R和C決定了輸出濾波的截止頻率，兩種不同的截止頻率對應的電阻和電容選值。

f = 1 /(RC) (KHz)

R(kOhm)

C(nF)

0.5

22

100

20

2.2

22

 

 

12V電源供電

小電流的電路部分（不包含電機），可以用一個12V的線性電源供電。輸入電壓設計在15V以上，最大電流1A，加散熱器。

 

基於功率PROFET的 PWM電機驅動

第一種電機功率驅動電路基於PROFET管 BTS555，工作在500Hz的開關頻率，可以說BTS555相對來說是一個低速器件。需要注意的是BTS 555和兩個二極體DS75-08B和DS175-08B驅動更高電流的電機時，需要更大號的散熱器。目前更加常見，更好的設計是下面基於MOSFET的版本。

 


基於功率MOSFET的PWM電機驅動

之所以MOSFET方案更好的原因，毋庸贅言是它的開關頻率更高，達到20KHz. 這個電路同時避免了PROFET設計中功率二極體的壓降和功率損耗。不過，MOSFET本身需要一定的功率驅動，因為MOSFET的容性負載很大，門級要2A以上的電流驅動才能導通。因此在PWM電路和電機驅動電路之間，還需要插入一級MOSFET驅動電路。同時，隨著電機電流的加大，它也需要更大的散熱器。

MOSFET 驅動範例1

一種可行的MOSFET驅動電路，不如範例2的優秀。

 


MOSFET 驅動範例2

堪稱最好的MOSFET驅動電路，用的是專用晶片EL7212CN作為核心，需要注意的是這種電路的輸出邏輯是反向的。

 


一些示波器觀察到的信號

這些波形是通過PicoScope 示波器在PC上測量並獲取到的。電流是用一個0.1歐姆,10W的繞線電阻，測量兩端壓差換算出來的，不排除它的感性負載。這個電路和電機（我們也測試了車燈）串行連接，工作電壓18V，通過一個最大電流15A的直流電源提供。信號周期邊沿上的尖峰過衝是因為供電電源的響應頻率沒那麼快造成的，在直流電壓瞬間切換時沒有那麼快就能穩定下來。實測的直流電機未加負載（15V，100W），作為對比，還測量了一個車燈（12V 50W的常見型號）。

500Hz,30%佔空比的PWM脈衝驅動直流電機，因為脈衝頻率較低，電機的電流隨著脈衝波形有明顯周期起伏

 

20KHz,30%佔空比的PWM脈衝驅動直流電機，因為脈衝頻率很高，所有電機的電流看上去是近乎是直流。當然，還有一些不可避免的尖峰脈衝出現。

500Hz，30%佔空比的脈衝驅動車燈，在這個頻率下，車燈幾乎表現出純阻性，電流和電壓同步變化。

20KHz，30%佔空比的脈衝驅動車燈，在這個頻率下，車燈的感抗體現出來，造成了電流信號邊沿的巨大尖峰過衝。

 

電路實物照片

 

 

本文翻譯自Pico Technology 英文技術文庫，原文及相關產品信息請點擊：閱讀原文。

英國比克科技有限公司 Pico Technology 成立於1991年，近30年來一直專注於電子測試測量領域，推出了示波器、數據記錄儀、網絡分析儀和信號發生器等等產品，它們共同的特點是小巧便攜、易於集成且性能不輸於傳統臺式儀表。對於外場實驗、技術支持、科研數據採集、系統集成和產線測試等等場景尤其適用。

 

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